建筑外墙保温材料不同着火点火蔓延试验分析

丁 超,吴泽炎,朱勋洋,张田庆，朱难难，程炳红，兰清源，李 强

(1. 安徽建筑大学 环境与能源工程学院,安徽 合肥 230601;2. 安徽建筑大学 电子与信息工程学院,安徽 合肥 230601；3. 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室,安徽 合肥 230026)

外墙保温技术起源于欧洲,我国从上世纪80年代中期开始对其进行试验,并在建筑领域广泛使用了该技术.近年来,随着我国住宅建筑节能工作的不断深入和节能标准的不断提高,住宅建筑中引入了许多新的节能技术和材料.大力推广其使用[1-3].其中,用于外墙保温的各种泡沫塑料保温材料,如EPS板、XPS板和发泡聚氨酯板,具有优异的综合性能,并且引人注目.在我国,耐久性和有效性通过参考吸收和自主创新形成了一定的测试方法和评价标准[4-6]. 但是,外墙保温材料的安全性尚未完全反映在标准和规范的要求中,特别是对于高层建筑,超高层建筑或密集建筑中,外墙保温的防火安全性更为重要.聚氨酯产品的生产所使用的大量原料多属于有机化合物和聚合物,也同属于可燃物之列[7-8],而在生产中使用的许多原料助剂,如有机溶剂及其配置的涂料、脱模剂等,因闪点、着火点较低,都存在不同程度的燃烧隐患[9-10].

本文通过小尺寸燃烧试验的方法,研究建筑外墙保温材料的燃烧特性,总结分析了外墙建筑外墙不同位置的火灾特点.

1 试验设计

1.1 试验目的

采用小尺寸试验分别测试不同外墙保温材料在不同点火位置的燃烧情况,通过燃烧时产生的数据结果分析不同点火位置的火蔓延特性.从而根据不同点火位置的特性,如燃烧材料质量变化,燃烧释放热辐射等参数规律,总结分析建筑时外墙保温材料使用与防护方法、注意事项.

1.2 试验材料

燃烧材料选取了建筑行业内主要使用的2种外墙保温材料：白色XPS,灰色EPS.把2种材料分别裁取10 cm×50 cm×1.8 cm规格的燃烧材料板,每种裁取3块.

1.3 试验测量设备

1) 电子天平.

收集2种建筑外墙保温材料板燃烧时的质量变化.

2) 热电偶.

测量2种建筑外墙保温材料的表面火焰温度,以疏密2种间隔方式分布于燃烧材料板的上下2部分.K型热电偶组成8个阵列,T0～T3这4个热电偶间距为4 cm,T4～T7这4个热电偶间距10 cm,热电偶采用数据采集模块FLUKE-2630进行数据采集.

3) Fluke数据采集系统.

4) 数码摄像机.

5) 数据采集仪.

6) 热流计.

1.4 试验仪器布置

保温材料板竖直置于支架上,支架放置于电子天平上,便于测量保温材料板的质量变化.热电偶上部4个以10 cm间隔分布,为非火焰区域,下部以4 cm间隔分布,为火焰区域.这样设计为了更加精确地测量火焰内部的结构与特征.热电偶接入数据采集仪,再由数据采集仪接入计算机终端.保温材料板旁放置数码摄像机,记录试验录像,传输到计算机终端.氢气喷口充当点火装置,点燃氢气喷口,材料板点燃后关闭氢气.

图1 试验装置示意

1.5 试验内容

试验选取灰色EPS和白色XPS外墙保温材料，规格为50×10×1.8 cm,每种材料进行上点火和下点火2种点火方式,每种材质和点火方式3次重复实验,共进行12次实验.每3次重复试验记为No.1～No.3.

首先把保温材料板固定于支架上,打开试验测量、记录仪器,点燃氢气喷口,用氢气喷口点燃材料板相应位置,熄灭氢气喷口.

然后等待板材燃烧完毕或火焰熄灭,停止仪器的记录,保留试验数据.

2 试验结果与分析

2.1 温度

选出代表性的灰色EPS板上点火No.1和下点火No.3工况进行对比.保温材料板在600 s内的燃烧温度对时间的曲线如图2～3所示,可见上点火与下点火有显著的不同.

图2 下点火温度变化

图3 上点火温度变化

下点火燃烧过程主要发生在前100 s,燃烧在时间上分布集中;上点火燃烧过程分布在前300 s,各热电偶时间上分布均匀.可以从图2～3中得知下点火燃烧速度较快,是因为火焰的方向垂直向上,高温的外焰向上,在竖直板向上传播速度较快;上点火的燃烧速度较慢,因为聚氨酯的熔点为170～190 ℃,液化的聚氨酯积留在保温板上部,一定程度上阻碍了固态板燃烧的氧气含量,使得燃烧速度变慢.

下点火每个热电偶温度变化短暂且较弱,从工况录像可以看到下点火点燃的聚氨酯板会熔化滴落,下点火滴落得很快,携带高温火焰落出热电偶范围;上点火每个热电偶温度变化持久且较剧烈,点燃后熔化的聚氨酯在固态的板上积留再溢出.

保温材料板的下点火温度较低,热量集中在滴落物中;保温材料板上点火的温度较高,积留的液态聚氨酯的温度较高.

根据以上3条重要的燃烧特性,可以注意到火灾时保温材料板的注意事项:对于多层建筑物,火灾发生在逃生者的下方会比发生在上方更快地烧到所在层,需要上方的逃生者更快地撤离;火灾发生在逃生者上方时,要注意外墙保温材料滴落的高温液体.

2.2 热辐射

热辐射能够反映火焰的火势大小及扑灭难度,是确定火灾危险程度的一个重要指标.

选择代表性的灰色EPS板上点火No.1和下点火No.3工况进行对比,保温材料板在600 s内的燃烧热辐射对时间的曲线如图4～5所示.

图4 下点火热辐射变化

图5 上点火热辐射变化

下点火的辐射主要发生在前100 s,上点火辐射主要发生在100～300 s.下点火整个辐射过程较快,同样是由于火焰向上传播快;上点火辐射过程较慢,辐射先逐步地增大,再迅速地减弱,原因是上点火的过程中,积留的熔化后的聚氨酯在板中心逐渐燃烧侵蚀成圆弧形缺口,当缺口延板中央向下延伸时,两侧留下条状部分,火焰在条状部分向外侧燃烧(见图6),当圆弧最大时才是燃烧过程辐射最强的时间,所以上点火辐射峰值滞后.

图6 燃烧板圆弧缺口

在实际火灾发生时,向下蔓延的火灾的燃烧峰值会比向上蔓延的火灾持续时间更久,燃烧最剧烈的时机比向上蔓延的火灾要滞后.

2.3 质量

质量损失速率可以体现火势大小及火蔓延速率.与温度、辐射类似,同种点火方式的2种保温材料板质量变化相似,不同点火位置的质量变化差异较大.选取代表性的灰色EPS保温材料上点火和下点火进行对比,保温材料在600 s内的质量变化如图7～8所示.

图7 下点火质量变化

图8 上点火质量变化

图中实心数据为左侧纵轴刻度的质量变化率,空心数据为右侧纵轴刻度的质量变化率,即质量对时间的导数.

下点火的燃烧过程明显快于上点火,是因为火焰向上传播速度快.下点火在前150 s质量先慢后快地下降;上点火的质量在前600 s均匀下降.

下点火的质量变化率变化较快,说明火势变化迅速;上点火的质量变化率在中期略大,说明火势只有在中期略大,燃烧过程较为均匀.

根据以上的性质,可以发现,实际火灾时,向上蔓延的火灾较向下蔓延火灾蔓延更加迅速,危险性更高;向上蔓延火后期火势较弱,而向下蔓延火整个过程都有一定强度的火势.

3 结论

1) 向上蔓延火发展速度快,当火灾发生在建筑物下方时要更快地撤离.

2) 向上蔓延火会产生滴落的高温液态聚氨酯,并且携带火焰.撤离时需要注意上方的燃烧情况.建筑物应有一定的措施防止火灾中低熔点材料的流动、滴落,防止液态着火物导致的火灾蔓延.

3) 向下蔓延火的燃烧峰值比向上蔓延火的燃烧峰值较滞后,在向上蔓延火爆发后,要注意向下蔓延火的燃烧情况.

4) 向上蔓延火火势呈现一种集中式的燃烧,火势比向下蔓延火下降得快,但是火势峰值比向下蔓延火的要大.消防人员应该分类对待向下和向上两种方向的蔓延火.